Universidade Federal do
Rio Grande do Norte
Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Mecânica
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
Área de Concentração – Termociências
Análise da eficiência de aquecedor solar espiral com e sem efeito estufa
para piscinas.
Natal – RN
Fevereiro 2010
Joel Nogueira Gonçalves
Análise da eficiência de aquecedor solar espiral com e sem efeito estufa
para piscinas.
Dissertação de conclusão do curso de pós graduação
nível mestrado, em engenharia mecânica, área de
concentração
Termociências,
na
UFRN
–
Universidade Federal do Rio Grande do Norte, sob a
orientação do professor doutor José Ubiragi de
Lima Mendes, e co-orientação professor doutor
Georges Souto Rocha.
Natal – RN
Fevereiro 2010
Gonçalves, Joel Nogueira
Análise da eficiência de aquecedor solar espiral com e sem efeito estufa para piscinas.
70 Páginas
DISSERTAÇÃO APRESENTADA NO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO NÍVEL
MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA, ÁREA DE CONCETRAÇÃO
TERMOCIÊNCIAS, NA UFRN – UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO
NORTE, MODALIDADE MINTER COM CEFET-BA - CENTRO FEDERAL DE
EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA
Palavras chave: energia solar, efeito estufa, eficiência, coletor espiral piscina.
Natal-RN. Fevereiro 2010
Joel Nogueira Gonçalves
Aprovada em ____/_______/______
BANCA EXAMINDADORA
_______________________________________________________
ORIENTADOR – Prof. Dr. José Ubiragi de Lima Mendes (UFRN)
____________________________________________________________
COMPONENTE – Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza (UFRN)
__________________________________________________________
COMPONENTE – Prof. Dr. Roberto Silva de Souza (IFRN)
.
DEDICATÓRIA
A
minha
esposa
compreenderem
carinho
minhas
e
e
meus
apoiarem
ausências
filhos,
com
do
por
tanto
convívio
familiar, e pelo incentivo para que mais esta
etapa de construção de conhecimento fosse
concretizada, e em especial ao meu pai †, que
não está mais aqui para compartilhar comigo
esta conquista.
AGRADECIMENTOS
Com muito carinho e respeito agradeço ...
... a Deus, por ter me dado, força e
discernimento para chegar até aqui,
... aos meus familiares, pelo apoio, incentivo
e compreensão, principalmente quanto ao
distanciamento provocado,
...
aos
professores
pelas
inestimáveis
contribuições na construção deste projeto,
... aos colegas pelos bons momentos de
convivência e por todas as superações que
juntos realizamos nesta jornada acadêmica,
....ao
professor
Luiz
Guilherme,
por
compartilhar sua tenacidade e determinação,
....ao professor Georges Rocha, pelo incentivo
e apoio,
.....ao meu orientador, professor José Ubiragi,
por conseguir me passar um pouco de seu
conhecimento e equilíbrio.
.... sem esses pilares para me apoiar, certamente não conseguiria escalar mais este degrau.
“Não basta ensinar ao homem uma especialidade,
porque se tornará assim uma máquina utilizável e
não uma personalidade. É necessário que adquira
um sentimento, senso prático daquilo que vale a
pena ser empreendido, daquilo que é belo, do que é
moralmente correto”...
...”Tenha em mente que
tudo que você aprende na escola é trabalho de
muitas gerações. Receba essa herança, honre-a,
acrescente a ela e, um dia, fielmente, deposite-a nas
mãos de seus filhos”...
...“A mente que se abre a
uma nova idéia jamais volta ao seu tamanho
original”...
Albert Einstein
RESUMO
A viabilidade técnica e econômica do aquecimento solar para piscinas é inquestionável,
além da substituição da energia elétrica convencional, de altos custos e impactos ambientais, gera
uma otimização do uso da piscina. Este trabalho aplica os princípios do efeito estufa: isolação
termodinâmica, retenção do calor e equalização da temperatura interna, busca otimizar o
equipamento de aquecimento solar, reduzindo a área requerida pelos coletores em até 40% (valor
ainda estimado) em relação aos coletores comerciais, com menores impactos estéticos e
arquitetônicos que são negativos no ambiente. Apresenta um sistema solar de aquecimento
alternativo em piscinas, que tem como principais características; baixo custo, simplicidade nos
processos de fabricação e montagem e um aquecimento mais rápido. O sistema é constituído por
dois coletores espirais construídos em tubos flexíveis de polietileno, com extensão de 100 metros
cada uma, e trabalha em regime de fluxo forçado, com apenas uma passagem do fluido de
trabalho no interior das espirais, e é utilizada a própria bomba de tratamento de água da piscina
para a obtenção do fluxo pretendido. Um dos coletores será exposto diretamente à radiação solar,
e o outro será coberto por um lamina de vidro e fechado lateralmente, de forma propiciar o efeito
estufa. Os equipamentos serão instalados em paralelo e expostos simultaneamente ao sol, de
forma se obter dados comparativos de suas eficiências. Serão apresentados resultados térmicos de
ensaios realizados para os dois casos, com e sem cobertura transparente. Serão demonstradas
comparativamente, as viabilidades térmica, econômica e de materiais destes sistemas para
aquecimento de piscinas.
Palavras Chave: energia solar, efeito estufa, eficiência, coletor espiral piscina.
ABSTRACT
The technical and economic viability of solar heating for swimming pools is
unquestionable, besides there it replaces the high costs and environmental impacts of
conventional supply of energy, and it improves an optimization in the pool heating uses. This
work applies the principles of the greenhouse effect: advanced thermodynamics, heat retention
and equalization of temperature, to optimize the solar heating equipment, reducing the area
required by collectors as much as 40% (still estimated value) for commercial collectors, with
minor architectural and aesthetic impacts on the environment. It features a solar heating
alternative in pools, whose main characteristics: low cost, simplicity in manufacturing and
assembly and a faster heating. The system consists of two collectors spiral hoses made of
polyethylene with a hundred meters each, and working on a forced flow, with only one pass of
the working fluid inside the coils, and is used to pump itself treatment of pool water to obtain the
desired flow. One of the collectors will be exposed to direct solar radiation, and the other will be
covered by a glass slide and closed laterally, so providing the greenhouse effect. The equipment
will be installed in parallel and simultaneously exposed to the sun in order to obtain comparative
data on their effectiveness. Will be presented results of thermal tests for this the two cases, with
and without transparent cover. Will be demonstrated, by comparison, the thermal, economic and
material feasibility of these systems for heating swimming pools.
Key-Words: solar energy, greenhouse effect, efficiency, collector spiral swimming pool.
SUMÁRIO
Lista de Figuras........................................................................................................ 12
Lista de Tabelas........................................................................................................ 13
Nomenclatura............................................................................................................ 14
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................. 15
1.1. Energia solar ..................................................................................................... 15
1.2. Energia solar e aquecedores de água para piscinas em polietileno .................
17
1.3. Objetivos e apresentação do estudo.................................................................. 18
CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.....................................................
20
2.1. A importância das energias renováveis.............................................................. 20
2.2. A importância da energia solar.......................................................................... 20
2.3. O Aquecimento de Piscina................................................................................ 22
2.4. Sistemas de coletores solares para piscinas....................................................... 22
2.5. Coletor solar e efeito estufa............................................................................... 23
2.6. Categorias de coletores solares para aquecimento de piscinas.......................... 24
2.7. Polietileno, análise e quantificação da degradação........................................... 29
CAPÍTULO 3. MATERIAIS E MÉTODOS.........................................................
33
3.1.Processo construtivo dos equipamentos coletores solares.................................. 33
3.1.1. Definição do tubo e diâmetro do equipamento............................................... 33
3.1.2. Construção do primeiro modelo..................................................................... 34
3.1.3. Distribuição do tubo de polietileno flexível.................................................... 35
3.1.4. Instalação de isolação térmica inferior e sustentação..................................... 35
3.1.5. Instalação da cobertura de vidro (Efeito Estufa)............................................ 36
3.2. Montagem e teste preliminar dos equipamentos.............................................. 37
3.2.1. Aferição dos sensores de temperatura............................................................ 37
3.2.2. Instalação de sensores de temperatura e vedação lateral................................ 37
3.2.3. Instalação dos coletores em local definitivo................................................... 38
3.3. Sistema de aquisição de dados........................................................................... 39
3.3.1. Aquisição de dados do fluido de trabalho (água)............................................ 39
3.3.2. Aquisição de dados das superfícies externas.................................................. 40
3.3.3. Temperatura do fluido nas configurações I e II – Entrada e Saída................ 40
3.3.4. Evolução da temperatura do fluido ao longo da espiral................................. 41
3.3.5. Medição de Vazão........................................................................................... 43
3.4. Desenvolvimento teórico................................................................................... 44
3.4.1. Determinação dos parâmetros térmicos.......................................................... 44
3.4.2. Coeficiente global de perdas........................................................................... 44
3.4.3. Determinação do rendimento térmico............................................................. 45
CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES................................................
46
4.1. Eficiência térmica dos coletores estudados....................................................... 46
4.1.1. Configuração I - Coletor sem cobertura.......................................................... 46
4.1.2. Configuração II - Coletor com cobertura........................................................ 50
4.2.– Evolução da temperatura do fluido ao longo do coletor resultados................. 54
4.2.1. Configuração I – Coletor sem cobertura......................................................... 54
4.2.2. Configuração II – Coletor com cobertura ...................................................... 55
4.3. Resultados dos parâmetros de perda térmica dos coletores estudados ............ 56
4.3.1. Perdas térmica – Configuração I .................................................................... 57
4.3.2. Perdas térmica – Configuração II ................................................................... 58
4.4. Comparação entre as duas configurações estudadas.......................................... 59
4.5. Análise técnico-econômica do sistema de aquecimentos estudado................... 59
CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES..................................................
62
5.1. Conclusões......................................................................................................... 62
5.2. Sugestões........................................................................................................... 62
Referencias Bibliográficas........................................................................................ 64
Anexo I. Patente coletor aberto espiralado..............................................................
69
Anexo II. Dimensões de cada espiral do coletor ....................................................
70
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1. Configuração básica de um aquecedor solar para piscinas......................... 24
Figura 2.2. Coletores Planos infláveis........................................................................... 25
Figura 2.3. Coletores Tubulares de Piso....................................................................... 26
Figura 2.4. Coletores Espirais em tubos Flexíveis....................................................... 26
Figura 2.5. Coletores solares de placas rígidas. Placa e sistema composto................. 27
Figura 2.6. Coletor solar de tubos a vácuo do tipo heat-pipe....................................... 27
Figura 2.7. Coletor de tubos de PVC conectados em série.......................................... 28
Figura 2.8. Coletor de tubos PVC em labirinto............................................................ 28
Figura 2.9. Reação básica de polimerização para formação do polietileno................. 29
Figura 2.10. Gráfico Índices de carbonila em amostras PEBD expostas a UV........... 31
Figura 3.1. Equipamento comercial e desenho constante da patente MU8500181-3.. 33
Figura 3.2. Desenho referencial dos diâmetros externo e interno................................ 34
Figura 3.3. Estrutura metálica para montagem das espirais......................................... 34
Figura 3.4. Espiral montada com fixação provisória das espiras................................. 35
Figura 3.5. Disco de sustentação e isolação em madeirite........................................... 36
Figura 3.6. Suportes para fixação e apoio do disco de vidro à base de madeira......... 36
Figura 3.7 Montagem inicial à borda da piscina com detalhe dos registros............... 37
Figura 3.8. Instalação dos Termopares e vedação lateral............................................. 38
Figura 3.9. Instalação dos equipamentos em local definitivo...................................... 38
Figura 3.10. Termômetro TM-744R e sistema de aquisição de dados automático...... 39
Figura 3.11. Pontos medição temperaturas fluido entrada/saída configurações I e II
40
Figura 3.12. Pontos de medição de temperaturas do fluido ao longo da espiral......... 42
Figura 3.13. Detalhe dos equipamentos instalados com e sem efeito estufa............... 43
Figura 3.14. Sistema de medição e controle de vazão................................................. 44
Figura 4.1 Gráfico gradiente de temperatura – Configuração I SEM cobertura......... 50
Figura 4.2 Gráfico gradiente de temperatura – Configuração II COM cobertura....... 54
Figura 4.3 Gráfico - Temperatura ao longo da espiral – Config, I – SEM cobertura.. 55
Figura 4.4 Gráfico - Temperatura ao longo da espiral – Config, II – COM cobertura 56
Figura 1 Anexo I. Coletor Espiralado Patente............................................................
69
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1. Propriedades químicas típicas de diferentes polietilenos......................... 30
Tabela 2.2. Propriedades típicas de diferentes polietilenos........................................ 31
Tabela 4.1. Dados do PRIMEIRO dia de ensaio – Configuração I...........................
46
Tabela 4.2. Dados do SEGUNDO dia de ensaio – Configuração I...........................
47
Tabela 4.3. Dados do TERCEIRO dia de ensaio – Configuração I.......................... 47
Tabela 4.4. Dados do QUARTO dia de ensaio – Configuração I............................. 48
Tabela 4.5. Dados do QUINTO dia de ensaio – Configuração I.............................. 48
Tabela 4.6. Resultados médios gerais – Configuração I (sem cobertura).................. 49
Tabela 4.7. Dados do PRIMEIRO dia de ensaio - Configuração II.........................
50
Tabela 4.8. Dados do SEGUNDO dia de ensaio - Configuração II.........................
51
Tabela 4.9. Dados do TERCEIRO dia de ensaio - Configuração II.......................... 51
Tabela 4.10. Dados do QUARTO dia de ensaio – Configuração II.......................... 52
Tabela 4.11. Dados do QUINTO dia de ensaio – Configuração II............................ 52
Tabela 4.12. Resultados médios gerais – Configuração II (com cobertura).............. 53
Tabela 4.13. Evolução do fluxo no melhor dia (terceiro dia)- Configuração I.......... 54
Tabela 4.14. Evolução do fluxo no melhor dia (terceiro dia)- Configuração II......... 55
Tabela 4.15. Resultados médios gerais de ensaio de cada configuração estudada.... 59
Tabela 4.16. Materiais utilizados e custos - configuração I....................................... 60
Tabela 4.17. Materiais utilizados e custos - configuração II...................................... 60
Tabela 1.Anexo II. Dimensões das espirais do coletor.............................................. 70
NOMENCLATURA
A
= área do coletor (área exposta à radiação solar) em m2
ap
= absortividade da placa
cp
= calor específico da água em KJ/kg . K.
T
= gradiente de temperatura entre entrada e saída do fluido no coletor(oC).
HCl
= acido clorídrico
I
= radiação solar globa (KW/m2)
MCA
= metros de coluna de água
Pabs.
= potência absorvida pelo coletor(W)
Pp
= potência perdida pelo coletor(W)
Pu
= potência transferida ao fluido de trabalho(W)
PVC
= cloreto de polivinila
PEAD
= polietileno de alta densidade
PEBD
= polietileno de baixa densidade
PEUAPM
= polietileno de ultra alto peso molecular
m
= vazão mássica (kg/s)
t
= rendimento térmico do coletor e/ou sistema(%)
Tamb
= temperatura ambiente (K)
Tmpi
= temperatura média da superfície externa inferior da placa absorvedora (K)
Te
= temperatura média da superfície superior da placa absorvedora (K)
τv
= transmissividade do vidro
U cima
= coeficiente global de perda térmica pela cobertura (W/m2. K)
Ubaixo
= coeficiente global de térmica pelo fundo do coletor (W/m2. K)
Uloss
= coeficiente global de perda térmica (W/m2.K)
UV
= ultra violeta
15
CAPITULO 1. INTRODUÇÃO
1.1 Energia Solar
A demanda global por energia cresce acompanhada do desenvolvimento industrial e do
crescimento populacional, especialistas prevêem ainda um crescimento desta demanda de 50%
até 2030.
Com a ênfase dada às questões ambientais, que atingem níveis insustentáveis a partir da
concretização das previsões científicas, que tem ocorrido até mesmo de forma antecipada, o
mundo desenvolvido prioriza a utilização das energias limpas e renováveis. Nesse contexto a
energia solar tem merecido um destaque especial, com todos os países desenvolvidos investindo
massivamente na pesquisa e aprimoramento de tecnologias solares mais eficientes e com maior
viabilidade econômica. Estados Unidos, Japão, China, Alemanha, Inglaterra, Portugal e Espanha,
são países que têm priorizado o uso dessas tecnologias energeticamente limpas e possuem metas
de substituição das energias fósseis preestabelecidas para curto e médio prazo. (TRENDS IN
RENEWABLE ENERGIES, 2008);
O nordeste brasileiro apresenta um potencial solar bastante significativo, correspondente a
uma disponibilidade média que se situa na faixa de 500 a 700 W/m2, conforme Atlas de
Irradiação Solar do Brasil. A região nordeste é privilegiada em relação ao potencial solar,
apresentando dias ensolarados e baixa nebulosidade na maior parte do ano, propícios para a
utilização da energia solar como fonte de aquecimento. Em quase todo o Brasil as condições para
uma aplicação massiva da energia solar, para a substituição de combustíveis fósseis são
extremamente viáveis.
A captação e utilização da energia solar ocorrem através de processos passivos e ativos.
Nos processos passivos com técnicas de projetos arquitetônicos, utilizam-se: correntes
convectivas, micro-climas, iluminação natural, sombreamentos, melhor aproveitamento de
condições climáticas e hábitos regionais, de forma promover naturalmente o aquecimento,
resfriamento e iluminação de ambientes, reduzindo assim a utilização de iluminação artificial,
refrigeradores e aquecedores. Os processos ativos são aqueles onde se empregam equipamentos
destinados especificamente a este fim, e suas formas mais comuns são as de conversão da energia
solar em energia química, energia elétrica e energia térmica.
Joel Nogueira Gonçalves
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
PPGEM UFRN
16
I - Conversão em energia em química.
As formas mais importantes de conversão em energia química são os processos foto-bioquímicos. Os organismos biológicos classificados como produtores sintetizam de carbo-hidratos a
partir de água e dióxido de carbono, absorvendo energia solar e a armazenando em forma de
ligações químicas (fotossíntese). Essa energia dissipa-se através da cadeia alimentar e, em última
instância é re-irradiada ao espaço. A queima de combustíveis fósseis e lenha é também uma
forma de uso da energia sintetizada pelas plantas. Estes processos caracterizam uso indireto de
energia solar.
II - Conversão em energia elétrica.
A conversão direta da energia solar em energia elétrica ocorre quando a radiação do sol
atinge determinados materiais e seus elétrons são estimulados, é o efeito fotoelétrico, fenômeno
descrito por Hertz em 1887 e explicado por Einstein em 1905. Este efeito foi ampliado com a
utilização das chamadas células solares, ou junções p-n de semicondutores (Hinrichs, 2003). Há
ainda conversão indireta de energia solar em elétrica, como a produção de energia elétrica através
do aproveitamento da energia eólica - a movimentação de massas de ar ocorre devido ao
aquecimento da atmosfera pelo sol. A energia hidrelétrica também é conversão da energia solar
em energia elétrica, pois a energia potencial gravitacional da água, utilizada para geração de
energia elétrica é fornecida pelo sol quando da evaporação da mesma. A energia elétrica é pouco
utilizada diretamente, é usualmente convertida em outras formas de energia para uso como;
energia luminosa, energia cinética, energia térmica, e outras.
III - Conversão em energia térmica.
Os métodos de conversão da energia solar em energia térmica fundamentam-se na
absorção da energia radiante por uma superfície negra. Este pode ser um processo complexo, que
varia segundo o tipo de material absorvente. Envolve difusão, absorção de fótons, aceleração de
elétrons, múltiplas colisões, mas o efeito final é o aquecimento, ou seja, a energia radiante se
transforma em calor. As moléculas das superfícies se excitam, ocorrendo um incremento na
temperatura. As substâncias que possuem absortância próximas à unitária são: o negro de fumo, a
platina negra e o bismuto negro, absorvendo de 0,98 a 0,99 da radiação total incidente. Um corpo
que possui refletância e transmitância nulas é considerado um “corpo negro” (Kern,1980).
Joel Nogueira Gonçalves
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
PPGEM UFRN
17
1.2 - Energia solar e aquecedores de água para piscinas em polietileno.
O aquecimento solar de água de piscinas quer para uso terapêutico ou de conforto,
constitui-se em uma das mais viáveis aplicações da energia solar, em função das vantagens de
economia e eficiência que apresenta em relação a outros sistemas que utilizem energias
convencionais.
Ao se optar pelo uso de plásticos, como elemento absorvedor e condutor de calor, faz-se
necessária a investigação do material nas suas propriedades, aplicações, composição e
principalmente os efeitos das degradações térmicas e por ultravioleta, inerentes à exposição de
tubos plásticos aos efeitos da radiação solar.
Embora vários aditivos possam ser empregados no combate a estas degradações, resolveuse evitá-las através de soluções simples e inovadoras, capazes de viabilizar o presente estudo no
campo dos materiais, a partir da utilização de tubos disponíveis no mercado.
Espera-se que o maior volume de água contido no coletor, em função de uma maior área de
tubos absorvedores e a elevada vazão amenize os efeitos da degradação térmica, não sendo
atingida a temperatura crítica para início da degradação térmica, em torno de 60°C. O efeito
degradativo por UV pode ser também minimizado através do uso de uma película protetora, que é
a própria tinta a ser utilizada para aumentar o poder de absorção dos tubos, quando submetidos à
energia eletromagnética do sol.
Os coletores geralmente utilizados para o aquecimento de piscina devem ser capazes de
manter a piscina com uma temperatura em torno de 30°C, sendo utilizados vários modelos e
materiais para esse fim.
Os tubos de polietileno são bastante utilizados nesses sistemas por apresentarem boa
resistência aos efeitos degradativos da sua exposição à radiação solar.
Os sistemas solares para aquecimento de piscina geralmente trabalham em regime de fluxo
contínuo com apenas uma passagem da água pelo coletor. Utilizam bombeamento para a
promoção do fluxo forçado, usualmente o sistema aquecedor solar é acoplado à própria bomba do
sistema de tratamento da piscina. Os mais convencionais necessitam de grandes áreas de tubos
absorvedores, geralmente formando grades absorvedoras na configuração série-paralelo, com
uma relação de 50% entre área da piscina e a área de superfície absorvedora para piscinas
cobertas por manta e 60% para a piscina descoberta.
Joel Nogueira Gonçalves
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
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18
Os equipamentos comercialmente disponíveis não utilizam cobertura transparente para a
geração de efeito estufa, o que simplifica os processos de fabricação e montagem
significativamente.
1.3 – Objetivos e apresentação do estudo
1.3.1. Objetivo geral
Estudar a viabilidade da utilização do efeito estufa em sistemas solar de aquecimento
alternativo de baixo custo para piscinas. O sistema é composto por dois coletores espirais
construídos em tubos flexíveis de polietileno nas funções de absorvedor e condutor de calor,
sendo um equipamento sem cobertura transparente e o outro com cobertura.
1.3.2. Objetivos específicos
1.
Desenvolver, projetar e construir um sistema de aquecimento solar para piscina de
baixo custo, com e sem utilização do efeito estufa;
2.
Ensaiar tal sistema determinando o seu desempenho térmico;
3.
Estudar comparativamente as viabilidades térmica, econômica do sistema de
aquecimento proposto;
4.
Demonstrar a competitividade do sistema em estudo em relação a outros sistemas
convencionais;
1.3.3. Apresentação do estudo
Este trabalho estuda um sistema solar de aquecimento alternativo em piscinas, para fins
terapêuticos ou de conforto, que tem como principais características; otimização nos processos,
baixo custo, simplicidade de fabricação e montagem e um aquecimento mais rápido. O sistema é
constituído por dois coletores espirais construídos em tubos flexíveis de polietileno, com
extensão de 100 metros cada uma, e trabalha em regime de fluxo forçado, com apenas uma
passagem do fluido de trabalho no interior das espirais, e é utilizada a própria bomba de
tratamento de água da piscina para a obtenção do fluxo pretendido. Um dos coletores será
exposto diretamente à radiação solar sem cobertura transparente, e o outro será coberto por um
lamina de vidro e fechado lateralmente, de forma propiciar o efeito estufa. Os equipamentos
serão instalados em paralelo e expostos simultaneamente ao sol, de forma se obter dados
comparativos de suas eficiências.
Joel Nogueira Gonçalves
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19
Serão apresentados resultados térmicos de ensaios realizados simultaneamente para os
dois casos, com e sem cobertura transparente.
Serão demonstradas comparativamente, as viabilidades térmica, econômica e de materiais
destes sistemas para aquecimento de piscinas.
O estudo proposto está estruturado em cinco capítulos que têm as seguintes abordagens:
O capítulo 1 composto de introdução.
O capítulo 2 apresenta um estudo sobre o as publicações científicas referentes aos sistemas
solares para aquecimento de piscina e das degradações inerentes à exposição do polietileno à
radiação ultravioleta e ao calor;
O capítulo 3 apresenta a proposta em estudo, mostrando os métodos construtivos,
princípios de funcionamento e processos de fabricação e montagem, e suas diferenças em relação
aos coletores convencionalmente utilizados. Apresenta também a metodologia experimental
empregada.
O capítulo 4 mostra os resultados e as discussões dos dados obtidos no levantamento de
desempenho comparativo dos coletores com e sem cobertura.
O capítulo 5 trata das conclusões e sugestões, em função da análise dos resultados obtidos.
Joel Nogueira Gonçalves
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20
CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. A importância das energias renováveis
Olhando para o futuro, perceber-se-á que o custo da energia tende a ser sempre maior e a
crise de combustíveis fósseis e de madeira tornar-se-á mais e mais aguda. As formas de
suprimento de energia estão determinando o curso dos desenvolvimentos social e econômico
futuros. O suprimento de energia será a base para um elevado e sustentável nível de segurança e
conforto, a energia também determinará o balanço ecológico. As tecnologias e fontes energéticas
que se usam nos dias atuais influenciarão significativamente o amanhã.
Há também uma grande evidência de que a maioria das tecnologias energéticas em uso não
são ecologicamente apropriadas e tem o potencial de provocar sérias e irreversíveis mudanças
climáticas, bem como a constatação de que a quase totalidade destas fontes energéticas não são
renováveis e estão se esgotando rapidamente. Em função dessas percepções, o direcionamento às
fontes renováveis de energia é inevitável. As fontes de energia eólica, solar e de biomassa são
abundantes, amplamente distribuídas, ecologicamente atrativas e renováveis. Essas fontes não
poluem a atmosfera e não contribuem para o aumento da temperatura do planeta.
2.2. A importância da energia solar
Cada metro quadrado da superfície do sol emite cerca de 62,8 MW de energia
eletromagnética, que são lançados no espaço. A origem desta energia está em um conjunto de
reações termonucleares que ocorrem no núcleo do sol causando uma diminuição em sua massa da
ordem de 4,25 milhões de toneladas em cada segundo. Embora esse dado seja avaliado como uma
perda inimaginável seriam necessários 147 bilhões de anos (a idade de nosso sistema solar é
estimada em 8 bilhões de anos) de atividade solar, neste mesmo ritmo, para que a sua massa
sofresse uma diminuição de um por cento (1%) (BEZERRA, 2000). Para se ter uma idéia de tal
potencial basta que se faça a seguinte análise: Considere-se que a Terra recebe do sol, ao nível do
solo, no máximo 1kW/m2, embora possa atingir maiores picos em algumas regiões. Excluídas as
regiões Ártica e Antártica, ela recebe em média cerca de 3,6 kWh/m2.dia, nas massas
continentais temos uma área de cerca de 132,5 x 1012W/m2 (SOUZA, 2002). Portanto, a
Joel Nogueira Gonçalves
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PPGEM UFRN
21
incidência solar sobre essas massas continentais é 4,77 x 108GWh/dia, logo, a incidência em um
ano é de 1,74 X 1011GWh.
Considerando-se que o consumo energético anual atual corresponde a 1,5 x 108GWh,
conclui-se que a energia solar disponível nas massas continentais representa mais de 1.000 vezes
o consumo de energia da humanidade. Isso equivale a dizer que menos de 1% da energia solar
disponível nas massas continentais seria suficiente para suprir de energia à humanidade.
Considerando-se toda a área da Terra, a disponibilidade aumenta para 1,02 X 1013GWh.
Uma vez que a luz solar está disponível em todas as regiões da Terra e pode ser usada de
forma descentralizada, a opção solar para a geração de eletricidade dispensa o caro transporte da
energia através de redes de distribuição, inerentes ao sistema convencional.
Os equipamentos solares têm um grande potencial em países tropicais, entre os quais se
encontra o Brasil, com disponibilidade equivalente a 1,13 X 1010GWh, por possuírem
significativos potenciais solares e receberem energia solar em quase todo o ano, como acontece
no nordeste brasileiro.
A radiação solar é atualmente usada para produzir potência através de duas tecnologias:
fotovoltaica e térmica. A tecnologia fotovoltaica tem um grande potencial e parece ser um dos
mais atrativos modos de obtenção de energia no futuro. Os sistemas fotovoltaicos são atualmente
mais confiáveis e econômicos que muitas outras tecnologias energéticas por serem
independentes, descentralizados e pelas alternativas de aplicabilidade, gerando uma gama de
produtos para consumo.
Um sistema fotovoltaico pode atuar em rede ou de modo independente. São muito
importantes para o desenvolvimento de países do terceiro mundo, pela escassez de fornecimento
de energia elétrica principalmente em áreas rurais, onde a energia elétrica gerada pode ser usada
de forma descentralizada.
Os métodos para a geração de potência térmica solar são essencialmente os mesmos das
tecnologias convencionais, porém o combustível usado é a energia térmica. Ao invés do
combustível fóssil, usa-se a radiação solar. A faixa de temperatura requerida para aplicações
domésticas e comerciais pode ser suprida com as tecnologias disponíveis de conversão da energia
solar em energia térmica.
Os sistemas térmicos solares para uso principalmente doméstico não necessitam de alta
eficiência, porém para uso em aplicações industriais e comerciais já estão sendo desenvolvidos
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sistemas de alta performance. Tais sistemas permitem a obtenção de temperaturas para préaquecer a água de alimentação de caldeiras, aquecer água e ar em processos industriais e produzir
vapor para gerar potência.
2.3. O Aquecimento de Piscina
O aquecimento de água de piscinas , seja para uso terapêutico ou para conforto, constituise em uma das aplicações mais viáveis da energia solar, por apresentar características de baixo
custo e fácil processo de fabricação em relação a outros sistemas que utilizam energias
convencionais.
Em Porto Seguro, região de clima temperado, local do estudo, faz se necessário o
aquecimento da água de uma piscina no período de abril a novembro, uma vez que a temperatura
da água abaixo de 23ºC torna seu uso desconfortável. Para ampliar o período de uso da piscina
com níveis de conforto adequado, usualmente são utilizados aquecedores elétrico, bastante
onerosos e de baixa eficiência térmica.
2.4. Sistemas de coletores solares para piscinas.
A utilização da energia solar para promover o aquecimento da água, em níveis capazes de
proporcionar conforto aos usuários de piscinas, e bastante viável térmica e economicamente, uma
vez que o gradiente de temperatura necessária a este fim é muito inferior aos aquecedores para
banho, possibilitando assim uso de materiais absorvedores de menor custo, como o PVC,
Polietileno, Polipropileno e outros.
Para obtenção de níveis de temperatura ideais, entre 30 e 32ºC, vários tipos de coletores
solares, tem sido utilizados em todo o mundo, tais coletores geralmente não apresentam cobertura
transparente, pelo baixo gradiente de temperatura (7 a 9ºC).
Uma vez que os coletores para aquecer água de piscinas, devem ser capazes de manter as
temperaturas acima de 30ºC, são utilizados sem cobertura ou caixa, o que os torna muito mais
econômicos que os utilizados para uso doméstico (banho). Nestes coletores normalmente de
plástico preto, que não serviriam a temperatura mais elevadas, devido às altas perdas de calor que
ocorreriam, atingem plenamente seu objetivo neste caso, com excelente rendimento. Estes
coletores sem cobertura recebem diretamente a água da piscina e a devolvem com um ligeiro
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incremento em sua temperatura. Em um período de um dois dias de operação se alcança a
chamada temperatura de equilíbrio 30°C a 32ºC, de acordo com as condições climáticas locais.
Em regiões não muito quentes, a ação dos coletores pode ser complementada
apreciavelmente cobrindo a piscina durante os períodos sem uso, especialmente à noite, com uma
manta térmica, constituída de plástico transparente, que reduz as perdas térmicas da piscina para
o ambiente, que constituem a parcela mais significativa de perdas térmicas.
Nos dias de maior insolação, em que a temperatura das piscinas naturalmente por ação
direta do sol, se eleva até atingir 30ºC ou mais, tornando o banho desconfortável. Nestes casos,
pode-se trabalhar com os mesmos coletores durante a noite e assim resfriar a água da piscina,
transferindo seu calor para o ambiente. Esta é uma vantagem adicional muito utilizada em hotéis
e instalações turísticas, situadas em regiões muito quentes, cujas temperaturas podem provocar
desconforto.
O dimensionamento da superfície de coletores necessária requer conhecimento das
condições climáticas locais. A título de referência, para climas temperados, caso Porto Seguro, se
sugere considerar uma superfície de coletores equivalente à 60% da área da piscina, podendo-se
reduzir para 50%, nos casos de utilização de manta térmica. (Censolar, 1999).
2.5. Coletor solar e efeito estufa
Os coletores solares são conversores de energia radiante em energia térmica, que é
transferida para o fluído de trabalho, geralmente a água, são equipamentos categorizados de
acordo com processos de fabricação, aplicação, temperaturas de trabalho, e outros. O componente
do sistema de aquecimento solar de água, dedicado a captura dos raios solares é denominado de
“coletor solar”. Os coletores solares para aquecimento de água se projetam em cor escura. A cor
negra predomina, comprovando a teoria da absorção de energia segundo um corpo negro. Neste
elemento pode-se potencializar o calor, promovendo o acúmulo do mesmo se ocorrer o efeito
estufa. Para isto cria-se uma passagem transparente que pode ser de vidro, fechando-se
hermeticamente com o coletor (Stradulis, 2003).
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2.6. Categorias de coletores solares para aquecimento de piscinas
No segmento de aquecedores dos solares para piscinas, o sistema opera através do
bombeamento da água da piscina, geralmente utilizando o sistema de bombas existente para
tratamento de água da piscina, provocando sua circulação força e através dos coletores solares,
onde sua temperatura é elevada e retorna à piscina, elevando assim sua temperatura. O sistema
solar pode ser instalado em série com sistemas convencionais que seriam utilizados em ausência
de sol.
Figura 2.1. Configuração básica de um aquecedor solar para piscinas.
Temos alguns tipos característicos pelos quais podemos categorizar os sistemas de
aquecimento de água para piscinas, o foco da análise será o componente principal do sistema que
é o absorvedor de calor ou coletor, pois os demais componentes são de alguma forma similares
em todos os sistemas, como: bombas (normalmente utilizado o mesmo sistema de bombeamento
do tratamento da piscina), tubulações de elevação e retorno, controladores de vazão (automáticos
ou manuais), isolamento de tubulações, mantas isolantes de lâmina d´água para retenção de calor.
Tipo 1 – Coletores planos infláveis.
Tipo 2 – Coletores tubulares de piso.
Tipo 3 – Coletores espirais em tubos flexíveis.
Tipo 4 - Coletores de placas rígidas.
Tipo 5 - Coletores com tubos à vácuo do tipo heat-pipe.
Tipo 6 - Coletor de tubos de PVC conectados em série.
Tipo 7 - Coletor de tubos PVC em labirinto.
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Tanto os coletores planos infláveis como os espirais de tubos flexíveis,, encontrados
comercialmente, não possuem estrutura rígida, são instalados diretamente sobre as telhados, com
mesmo nível de inclinação e direcionamento do telhado, não possuem isolação térmica na parte
inferior, sendo portanto, de baixo rendimento
Coletores Planos infláveis.
Este tipo de coletor é construído com materiais leves e flexíveis, como o polipropileno
que possuem boa performance na absorção da radiação solar, mas são de são de baixa
concentração por trabalharem com temperaturas baixas em relação a outros coletores, em níveis
máximos de 50ºC, apresentam baixo custo de manutenção e suportam pressão de trabalho de até
40 MCA.
Figura 2.2. Coletores Planos infláveis.
Coletores Tubulares de Piso – São coletores montados com uma malha de tubos tipo
PVC rígidos, instalados no em torno das piscinas, áreas posteriormente revestidas com piso,
sendo esta a superfície absorvedora de calor, e este transferido ao fluido (água) através dos tubos
incrustados no piso, a circulação é forçada como nos demais sistemas considerados.
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Figura 2.3 Coletores Tubulares de Piso.
Coletores Espirais em tubos Flexíveis.
São coletores montados com tubos flexíveis (mangueiras em PVC), na forma de uma
espiral concêntrica. Apresentam basicamente as mesmas técnicas características dos coletores
infláveis, porém com menor custo
Figura 2.4. Coletores Espirais em tubos Flexíveis.
Coletores de placas rígidas.
São fabricados em placas de polietileno de alta densidade, sem emendas ou soldas,
aditivadas contra a ação de raios UV, resistentes ao choque, às intempéries( geadas, granizo e
congelamento). Apresentam facilidades de instalação e manutenção . Devido à facilidade de
montagem, permitem expansão do sistema de aquecimento, pela simples adição de novas placas..
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As placas são interligadas através de mangotes de borracha especiais e abraçadeiras de inox
(produto vendido separadamente). Na figura baixo observa-se uma placa e uma instalação que
utiliza tais placas para o aquecimento de piscinas.
Figura 2.5. Coletores solares de placas rígidas. Placa e sistema composto.
Coletores com tubos a vácuo do tipo heat-pipe.
Estes sistemas operam diferentemente dos demais disponíveis no mercado. Trata-se de
uma tecnologia mais avançada, porém de maior custo. Consiste de um heat- pipe dentro de um
tubo evacuado. A radiação solar é concentrada no final de cada tubo e é conduzida a um
reservatório por um conjunto de conexões. A figura mostra esse tipo de sistema de aquecimento.
Figura 2.6. Coletor solar de tubos a vácuo do tipo heat-pipe.
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Coletor de tubos de PVC conectados em série.
Esses coletores são formados por vários tubos de PVC, posicionados em paralelo utilizando
conexões tipo T de PVC, com inserção de esbarros confeccionados com tampas plásticas de
refrigerantes (fechamento de uma de suas linhas de fluxo), permitindo a ligação em série dos
tubos, e estruturando a malha..
Figura 2.7 - Coletor de tubos de PVC conectados em série.
Coletor de tubos PVC em labirinto.
Tipo de coletor confeccionado com tubos de PVC em formato de labirinto, propiciando a
obtenção de uma superfície absorvedora com um comprimento maior de tubos, em conseqüência
uma maior área de troca térmica entre fluido e tubos. Apresenta fáceis processos de construção e
montagem e tem como principal característica seu baixo custo.
Figura 2.8. Coletor de tubos PVC em labirinto.
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O estudo de sistemas de aquecimento solar de piscinas não é tão corriqueiro em trabalhos
científicos em revistas e congressos científicos. Alguns trabalhos que conseguiu-se ter acesso
estão relacionados a seguir. Souza em 2007, apresentou um sistemas de aquecimento solar para
piscinas utilizando coletores em labirinto e aletado, e demonstrou ser possível o aquecimento da
água para níveis confortáveis de uso de piscinas, em torno de 32°C.
2.7. Polietileno, análise e quantificação da degradação.
Reinaldo Strapasson, em 2004, ao estudar os polietilenos, afirma que são os mais simples
produtos plásticos existentes, que pertencem à classe dos plásticos vinílicos. A massa molar (peso
molecular) do plástico obtido pode variar consideravelmente, entre 4.000 e 20.000 em média,
existindo polietilenos com massa molar superior a 100.000. A reação básica da polimerização do
etileno para polietileno está representada na figura a seguir.
Figura 2.9. Reação básica de polimerização para formação do polietileno
O polietileno possui diferentes denominações de acordo com sua massa molar e forma,
que estão em detalhes na tabela 3.1, a saber:
• HDPE (PEAD), polietileno linear, polietileno de alta densidade, polietileno de baixa pressão;
• LDPE (PEBD), polietileno ramificado, polietileno de baixa densidade, polietileno alta pressão,
• UHMWPE (PEUAPM), polietileno de ultra-alta massa molar, polietileno de altíssima massa
molar.
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Tabela 2.1. Propriedades químicas típicas de diferentes polietilenos.
As propriedades marcantes no PE são a alta resistência química, menor custo e ainda no
UHMWPE (PE de ultra alta massa molar), alta resistência ao desgaste, baixo coeficiente de
fricção, e inércia química. Algumas aplicações típicas destes materiais incluem:
• PEAD – Contentores, bombonas, fitas para lacre de embalagens, material hospitalar.
• PEBD – Recipientes para embalagens de produtos alimentícios, farmacêuticos e
químicos; filmes para embalagem em geral; utensílios domésticos, brinquedos, lençóis
para usos agrícolas.
• UHMWPE – Placas de revestimento de máquinas para a indústria de alimentos e de
mineração; componentes de bombas para líquidos corrosivos; engrenagens; revestimento de
pistas e pisos para esporte e linhas de montagem de automóveis; em medicina, como
implantes, ossos artificiais; cepos para cortes de carne. (STRAPASSON, 2004)
O PEBD Se funde a uma temperatura entre 104º e 120ºC, e se queima a 300ºC
(www.plasticoscarone.com.br). Na tabela 2.2 (http://www.mspc.eng.br), a seguir encontramse as principais características físicas dos polímeros, para efeitos de comparação entre os mais
comuns.
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Tabela 2.2 – Propriedades típicas de diferentes polietilenos.
Como as reações que geram reticulações no PEBD não levam à formação de grupos
carbonila, os resultados de índice de carbonila do PEBD apresentados na mostram valores
numéricos bem inferiores aos do PP.( FECHINE, 2006).
Figura 2.10. Gráfico Índices de carbonila em amostras PEBD expostas a UV.
Na aplicação do PEBD (Polietileno de Baixa Densidade) exposto ao sol e calor ocorre
degradação, produzida pela perda de massa ou quebra de ligações, com surgimento de duplas
ligações na cadeia principal, quando do processo de perda (separação) do HCl da mesma. Essas
degradações fragilizam o material e também podem ser críticas para a processabilidade do PVC,
quando dos processos de fabricação empregados para a obtenção de cada tipo (MANO, 2000).
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No caso do tubo de polietileno, essa degradação é mais crítica para níveis de temperatura
acima de 250ºC, embora a degradação térmica se inicie para temperaturas acima de 60ºC,
alcançando limite crítico para temperaturas acima de 75ºC, onde começa o seu processo de
deflexão (YAO, 2001).
Como observamos a determinação da temperatura de inicio de degradação do PEBD, é
assunto de diversos estudos e envolve uma multiplicidade de variáveis que torrnam
extremamente complexa sua determinação. Neste estudo, por não se dispor com precisão dos
aditivos do PEBD utilizado (PEBD - comercial), considerou-se a temperatura de 60ºC, a menor
observada nos estudos analisados.
Os resultados térmicos, obtidos com coletores que utilizam o plástico como elemento
absorvedor de radiação solar, demonstram a viabilidade desses coletores. Porém para que este
tipo de coletor possa ser competitivo em termos de mercado, é necessário um estudo acerca das
degradações relativas ao tempo de vida útil deste referido protótipo.
Como já foi ressaltado o combate às degradações pode ser feito através da adição de
estabilizadores e outros aditivos durante o processo de manufatura dos tubos. Entretanto o
presente estudo optou pela utilização de tubos disponíveis comercialmente, com o percentual de
cloro convencional, cerca de 57%, criando condições para torná-lo bom absorvedor térmico, sem
conduzi-lo ao nível de degradação térmico e podendo também reduzir significativamente a
degradação por UV através da utilização de uma grade absorvedora protegida da radiação.
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CAPÍTULO 3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. Processo construtivo dos equipamentos coletores solares.
Com o objetivo de comparar a eficiência dos equipamentos fez se necessária a construção
de dois equipamentos, sendo um similar aos equipamentos comerciais encontrados, sem efeito
estufa, e o segundo aplicando uma cobertura de vidro transparente e fechamento lateral, para a
obtenção do efeito estufa.
Para o projeto dos equipamentos foi adquirida no mercado, amostra de tubo em
polietileno flexível. Foram medidos diâmetros interno e externo no tubo, e calculado o diâmetro
de cada espira, tomando como referencia a primeira espira com raio de 232 mm, obtendo assim o
diâmetro externo de 375 mm, ver anexo II. O diâmetro da primeira espira foi determinado
moldando a mesma de forma não se visualizar deformações na parede do tubo flexível.
Foram também observados os equipamentos comerciais cujos folders encontram-se na
internet, e ainda o "COLETOR ABERTO DE ENERGIA SOLAR ESPIRALADO PARA
AQUECIMENTO DE ÁGUA PARA PISCINA", patenteado sob numero MU8500181-3, e
algumas fotos de coletores comerciais encontrados em folders de fabricantes, disponíveis em seus
sites na internet (Aquasol, Astrosol, Heliotek e Soletrol,).
Figura 3.1. Equipamento comercial e desenho constante da patente MU8500181-3
3.1.1. Definição do tubo e diâmetro do equipamento.
De forma otimizar os materiais encontrados disponíveis no comercio, utilizou–se uma
peça (rolo) com 100 metros de tubo de polietileno flexível na cor preta, com diâmetro de 20 mm,
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comumente aplicado em sistemas de irrigação tipo micro-aspersão, o que produziu uma espiral
plana concêntrica com 31,5 voltas, sendo o diâmetro da primeira espira 220 mm e o raio da
última espira 760 mm.
Término
R22
Inicio
R76
54
Material: Polietileno flexível
Nro Espiras: 31,5
Mangueira Tipo Irrigação 1/2"
Figura 3.2. Desenho referencial dos diâmetros externo e interno.
3.1.2. Construção do primeiro modelo.
A dificuldade inicial que se encontrou, foi distribuir as primeiras espirais concêntricas
mantendo-as fixas e movimentando o restante do tubo flexível. A solução proposta foi criar uma
estrutura, com perfilados L de forma promover a sustentação do conjunto, como nas fotos da
figura a seguir.
3.1.2
Figura 3.3. Estrutura metálica para montagem das espirais
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3.1.3. Distribuição do tubo de polietileno flexível.
A distribuição do tubo de polietileno flexível, foi executada sobre a estrutura previamente
construída, e que as espiras foram sendo fixados provisoriamente com barbante, a longo do
processo de montagem das espirais. O tubo flexível é encontrado em peças de 100 metros de
comprimento, e esta se adaptou à espiral projetada com pequena redução do diâmetro externo,
sem causar danos aparentes ao tubo, foi antão adotado este comprimento como padrão e o
diâmetro externo com 1,5 metros.
Figura 3.4. Espiral montada com fixação provisória das espiras.
3.1.4. Instalação de isolação térmica inferior e sustentação.
Como a estrutura ficou bastante flexível, e sem isolação térmica na parte inferior, fez se
necessária a instalação de uma estrutura de sustentação, de forma simplificar o manuseio do
equipamento, mas que também promovesse a isolação térmica do conjunto na parte inferior.
Um disco de madeira (madeirite) foi adotado como solução de ambos os problemas. Este
disco suporte assume também a função de manter os dois equipamentos em condições similares,
para comparação de eficiência. A espessura de parede do disco de madeira utilizado foi de 10
milímetros, medida comercial, que produziu uma peça de fácil manuseio, sem gerar dificuldades
de movimentação, ajustes e transporte para a estrutura devido a baixo peso.
Os discos de madeira foram recobertos com tinta esmalte sintético preto fosco, de forma
protegê-los das intempéries aumentando sua vida útil e propiciando melhores condições para
surgimento do efeito estufa. Foi ainda necessário instalar anteparos ao longo da espiral externa
para contenção do tubo flexível.
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Figura 3.5. Disco de sustentação e isolação em madeira.
3.1.5. Instalação da cobertura de vidro (Efeito Estufa).
As estruturas dos dois equipamentos foram construídas de forma similar até o passo
anterior. O equipamento que deverá operar com efeito estufa necessita da cobertura superior em
material transparente à radiação incidente, e opaca a radiação refletida pelos tubos negros e a
superfície negra da base. O material escolhido foi o vidro comercial transparente sem cor com
espessura de 3 mm.
Para fixação do vidro, foi feita a instalação de um suporte ao longo da espiral externa. O
suporte foi construído com recortes de um perfilado de alumínio, comercialmente utilizado em
estruturas de box de banheiro, observa-se na figura a seguir um corte perfilado utilizado, no qual
foi removida uma pequena parte, como indicado e mantida a borda superior para fixação do disco
de vidro. Ao longo da espira interior, o suporte foi utilizado apenas como apoio.
Figura 3.6. Suportes para fixação e apoio do disco de vidro à base de madeira.
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3.2. Montagem e teste preliminar dos equipamentos.
Os dois equipamentos foram instalados inicialmente na borda da piscina, para os testes
preliminares de alimentação com o fluído de trabalho (água) e controle de vazão através de
válvulas controladoras de fluxo com acionamento manual.
Figura 3.7. Montagem inicial à borda da piscina com detalhe dos registros
3.2.1. Aferição dos sensores de temperatura.
Utilizando-se um termômetro de referência, foi feita a aferição de temperatura dos
termopares. O procedimento utilizado foi o convencional, ou seja, utilizando a água, que em um
primeiro passo teve sua temperatura elevada para o ponto de ebulição e resfriado naturalmente
(buscando o equilíbrio térmico com o meio) até a temperatura ambiente, posteriormente resfriado
até o ponto de solidificação e logo aquecido naturalmente até a temperatura ambiente.
3.2.2. Instalação de sensores de temperatura e vedação lateral.
Utilizando-se emendas pré-fabricadas para os tubos flexíveis de polietileno, foi feita
inserção dos sensores de temperatura (termopares) em furo posteriormente vedado com adesivo
bi-componente a base de epóxi, para monitoramento das temperaturas do fluido de trabalho e
efetiva
avaliação
comparativa
dos
equipamentos.
Os
termopares
foram
instalados
respectivamente na entrada e saída de cada coletor para comparação de eficiência dos
equipamentos. A vedação lateral, entre os discos de madeira e de vidro, foi feita com fita adesiva
de alta resistência, capaz de suportar altas temperaturas e umidade.
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Figura 3.8. Montagem dos Termopares e vedação lateral.
3.2.3. Instalação dos coletores em local definitivo.
Os coletores foram instalados em seu local definitivo, sobre uma laje, inicialmente na
posição horizontal a circulação do fluido de trabalho é forçada, não necessitando assim de
inclinação e correntes de convecção. Ressalta-se que não será utilizado o sistema de
bombeamento do tratamento da piscina, pois sua vazão e pressão seriam muito superiores ao
necessário para os testes com apenas dois módulos.
O sistema utilizado para forçar a circulação foi uma coluna de água de 7,15 metros,
existente no local da instalação dos equipamentos. O bombeamento da piscina será necessário
quando se instalar equipamentos suficientes para o efetivo aquecimento da piscina, em torno de 8
módulos espirais, este número será definido após análise da eficiência dos mesmos.
Figura 3.9. Instalação dos equipamentos em local definitivo.
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3.3. Sistema de aquisição de dados.
3.3.1. Aquisição de dados do fluido de trabalho (água).
A aquisição dos dados de temperatura do líquido de trabalho foi através de um
termômetro digital modelo TM-744R fabricado pela TENMARS, com 4 canais de aquisição de
dados através de termopares, no caso tipo K. Este termômetro possui placa de interface com um
microcomputador, onde instalado e o programa fornecido pelo fabricante, os dados são
armazenados em arquivos tipo *,xls, operados automaticamente através software MS-Office
Excel da Microsoft.
O microcomputador foi instalado próximo aos coletores, devido a extensão dos cabos dos
termopares (1 metro) e do cabo de conexão do termômetro ao microcomputador. Deve-se
registrar um problema ocorrido durante a aquisição dos primeiros dados, quando o termômetro
apresentava os dados com excessivas oscilações, impossibilitando a análise dos mesmos.
O termômetro foi testado em diversos locais não apresentando o mesmo problema,
identificou-se então que a oscilação ocorria apenas quando o termômetro estava conectado ao
microcomputador. Devido à de falta de aterramento, foi instalada uma malha de terra no local, e
conectada ao terceiro pino da tomada do microcomputador, o defeito foi eliminado. O registro
das temperaturas da água, por serem automatizados, e com objetivo de se obter maior precisão,
serão a cada 60 segundos
Figura 3.10. Termômetro TM-744R e sistema de aquisição de dados automático.
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3.3.2. Aquisição de dados das superfícies externas.
As medidas de temperaturas de parede externa dos tubos, superfícies externa e interna do
vidro e do meio entre parede do tudo e vidro, serão feitas através de termopar conectado a um
termômetro digital, e os registros serão manuais em tabelas
3.3.3. Temperatura do fluido nas configurações I e II – Entrada e Saída
O sistema de aquecimento de piscina estudado é composto por dois coletores em paralelo,
funcionando em regime de fluxo contínuo, com vazão constante correspondente a 60 litros por
hora, onde apenas um coletor apresenta cobertura transparente de vidro plano de 3 milímetros. A
inclinação em relação à horizontal dos coletores foi de 16º Sul, isso em função da latitude do
local, no caso de Porto Seguro.
Foram medidas as temperaturas da água na entrada e saída da água nos dois coletores, e a
temperatura ambiente à sombra, próximo aos equipamentos. Conforme indicado na figura a
seguir.
Ponto 01 – Entrada de água dos coletores
Ponto 02 – Saída de água do coletor SEM cobertura – Configuração I
Ponto 03 - Saída de água do coletor COM cobertura – Configuração II
2
1
3
Figura 3.11. Pontos de medição temperaturas fluido entrada e saída config. I e II.
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Todas estas medidas foram realizadas em intervalos de um minuto, com os valores
registrados por um sistema de aquisição de dados, composto por sensores termopares tipo k
conectados a um termômetro digital e este acoplado a um microcomputador através de porta
serial, sendo o sistema operado pelo software do termômetro.
3.3.4. Evolução da temperatura do fluido ao longo da espiral
Para registro da evolução da temperatura do fluido em seu percurso no coletor, foram
medidas suas temperaturas em quatro pontos ao longo da espiral para o coletor sem cobertura,
que secciona a extensão de 100 metros de tubo em três partes com 33,3 metros cada,
possibilitando assim acompanhamento da evolução da temperatura a cada extensão de 33,3
metros. Os sensores foram instalados nas posições e indicadas na figura 3.11. O intervalo de
registro foi a cada minuto, e realizados com o mesmo sistema automatizado descrito acima.
Para o coletor com cobertura transparente (configuração II) o mesmo processo foi
executado com os sensores em posições similares aos indicados para a configuração I, também
com registro automático a cada minuto.
Ponto 01 – Entrada de água do coletor
Ponto 02 – Após 33 metros de tubo(1/3)
Ponto 03 - Após 66 metros de tubo(2/3)
Ponto 04 – Saída de água do coletor.
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1
4
2
3
Figura 3.12. Pontos de medição de temperaturas do fluido ao longo da espiral.
A radiação solar foi medida a cada um minuto, por um radiômetro (NAZIAZENO, 2009),
acoplado a um sistema de aquisição de dados composto pelo termômetro digital TM-744R, que
detecta a diferença de potencial às células branca e negra do radiômetro convertendo esta
diferença de potencial para a temperatura equivalente, e registra automaticamente os dados em
planilha do Excel. Posteriormente os dados são corrigidos para radiação solar equivalente, com os
coeficientes pertinentes.
Os ensaios foram realizados em dias de boas condições solarimétricas, altos índices de
radiação solar global e baixa nebulosidade para permitir uma análise comparativa mais real entre
os vários dias de ensaio.
Foi feita uma análise comparativa entre os resultados dos coletores para as duas
configurações, coletor com cobertura e coletor sem cobertura, para a determinação da
configuração mais eficiente.
A susceptibilidade ao início do processo de degradação térmica pode ser diagnosticada
através dos níveis de temperatura alcançados pela superfície externa dos tubos absorvedores, que
não devem alcançar 60°C (SOUZA 2002).
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O sistema de aquecimento de piscina proposto, nas suas duas configurações, com e sem
cobertura transparente, encontra-se mostrado na Figura a seguir
Figura 3.13. Detalhe dos equipamentos instalados com e sem efeito estufa
3.3.5. Medição de Vazão
Foi utilizado um sistema simples e eficiente de medição de vazão, constituído de dois
recipientes plásticos de volume igual a 2 litros apoiados em material flutuante, posicionados na
piscina abaixo dos dutos de saída dos coletores. Os recipientes de 2 litros foram aferidos em
laboratório de química com recipiente tipo Becker graduados de 1 litro.
A medição foi feita simultaneamente para os dois coletores, com cronometro, marcando 2
minutos para os dois litros, ou 1 litro por minuto de vazão. O ajuste de vazão foi realizado através
válvulas controladoras de fluxo com acionamento manual, conforme indicado na figura 3.14. Este
procedimento foi realizado a cada inicialização do sistema e posteriormente de hora em hora.
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44
Figura 3.14. Sistema de medição e controle de vazão
3.4. Desenvolvimento teórico
3.4.1. Determinação dos parâmetros térmicos
Os parâmetros que melhor caracterizam a eficiência térmica de um coletor solar são o
rendimento térmico, a potência perdida e o coeficiente global de perdas.
3.4.2. Coeficiente global de perdas
A placa coletora após receber radiação se aquece, surgindo, em conseqüência, um gradiente
de temperatura entre a mesma e o ar ambiente, fazendo com que parte da energia captada flua do
coletor para a atmosfera, que se constitui nas perdas térmicas do coletor.
O parâmetro que engloba todas essas perdas é o Coeficiente Global de Perdas (Uloss), que
pode ser determinado por três métodos distintos, quais sejam: Método da Perda Térmica, Método
das Trocas Térmicas e Método da Inversão de Fluxo (DUFFIE&BECKMAN, 1991,
INCROPERA, 2003). Nesse trabalho será usado o método da perda térmica para a determinação
do Uloss.
Este método consiste na determinação do Coeficiente Global de Perda Térmica (Uloss)
através do conhecimento dos parâmetros potência absorvida pelo coletor (Pabs.), potência
transferida ao fluido de trabalho (Pu), transmissividade do vidro (τv); absortividade da placa
Joel Nogueira Gonçalves
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
PPGEM UFRN
45
(
p)
; radiação solar global (I); temperatura média de placa (Tmp) e temperatura ambiente (Ta),
da área do coletor (A), da vazão mássica ( m ), do calor específico do fluido (cp) e da diferença de
temperatura do fluido obtida no sistema (∆T), conforme as equações (3.1) a (3.5). Para o coletor
sem cobertura não existe o parâmetro transmissividade do vidro e a equação (3.1) transforma-se
na equação (3.2).
Pabs
v . p.
Pabs
p.
.
0,85.0,9.700.1,3
.
696,1Watts
(3.1)
(3.2)
•
Pu =m.cp .ΔΤ
(3.3)
Pp =Pabs -Pu
(3.4)
P
Uloss = A.(T p -T
mp
(3.5)
a)
3.4.3. Determinação do rendimento térmico
O rendimento térmico do coletor do sistema de aquecimento proposto pode ser calculado
pela equação (3.6).
P
u
=
t
Α.Ι
(3.6)
Substituindo 3.3 em 3.6, temos :
t=
0,07. T
1,6.Ι
t =0,4375
Joel Nogueira Gonçalves
T
Ι
(3.7)
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
PPGEM UFRN
46
CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES.
Serão apresentados e avaliados os resultados dos ensaios realizados para duas
configurações com o objetivo de comparar o desempenho dos coletores como proposto. Serão
analisadas também as perdas térmicas dos coletores e a evolução da temperatura ao longo de
cada espiral A seguir os resultados gerais médios horários de cada dia, bem como os dados
médios diários dos ensaios feitos para cada tipo de configuração.
4.1. Eficiência térmica dos coletores estudados.
Os parâmetros térmicos obtidos para determinação da eficiência dos coletores estudados
foram aplicados na equação 3.7, e determinado o rendimento térmico dos coletores nas duas
configurações ensaiadas.
4.1.1. Resultados para a Configuração I - Coletor SEM cobertura
Os resultados a seguir foram obtidos com os sensores de temperatura instalados nas
posições indicadas na figura 3.11, correspondentes â entrada de fluido para ambas as
configurações , e saída de fluido também para ambas as configurações.
Nas Tabelas de 4.1 a 4.5 estão registrados os valores médios dos parâmetros medidos
nos testes realizados com o sistema de aquecimento para a Configuração I., bem como o
rendimento calculado.
Tabela 4.1 Dados do PRIMEIRO dia de ensaio – Configuração I.
TEMPO (Hora)
8:00 -9:00
9:00 -10:00
10:00 -11:00
11:00 -12:00
12:00 -13:00
13:00 -14:00
14:00 -15:00
15:00 – 16:00
Média
Joel Nogueira Gonçalves
Tentrada
Tsaida
∆T
I
(°C)
(°C)
(°C)
(KW/m2)
24,7
25,7
26
27,1
27,7
27,9
27,8
26,7
26,7
29
30,9
32,5
34,1
35
35,2
34,9
32,1
33,0
4,3
5,2
6,5
7
7,3
7,3
7,1
5,4
6,26
0,48
0,52
0,54
0,56
0,56
0,52
0,48
0,42
0,51
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica

()
39,2
43,8
52,7
54,7
57,0
61,4
64,7
56,3
53,7
PPGEM UFRN
47
Tabela 4.2. Dados do SEGUNDO dia de ensaio – Configuração I.
TEMPO (Hora)
8:00 -9:00
9:00 -10:00
10:00 -11:00
11:00 -12:00
12:00 -13:00
13:00 -14:00
14:00 -15:00
15:00 – 16:00
Média
Tentrada
Tsaida
∆T
(°C)
(°C)
(°C)
(KW/m )

()
25,1
26,2
26,7
26,8
26,8
26,6
26,8
26,5
26,4
29
30,6
33,8
34,2
34,3
34,5
33,1
31,7
32,7
3,9
4,4
7,1
7,4
7,5
7,9
6,3
5,2
6,21
0,48
0,52
0,54
0,56
0,56
0,52
0,48
0,42
0,51
35,5
37,0
57,5
57,8
58,6
66,5
57,4
54,2
53,3
I
2
Tabela 4.3. Dados do TERCEIRO dia de ensaio – Configuração I.
TEMPO (Hora)
8:00 -9:00
9:00 -10:00
10:00 -11:00
11:00 -12:00
12:00 -13:00
13:00 -14:00
14:00 -15:00
15:00 – 16:00
Média
Joel Nogueira Gonçalves
Tentrada
Tsaida
∆T
(°C)
(°C)
(°C)
(KW/m )

()
25,3
26,3
26,7
26,9
26,8
26,5
26,7
26,5
26,5
29,8
31,3
34,1
34,3
34,5
34,5
33,1
31,7
32,9
4,5
5
7,4
7,4
7,7
8
6,4
5,2
6,45
0,5
0,54
0,56
0,58
0,58
0,56
0,5
0,42
0,53
39,4
40,5
57,8
55,8
58,1
62,5
56,0
54,2
52,9
I
2
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
PPGEM UFRN
48
Tabela 4.4. Dados do QUARTO dia de ensaio – Configuração I.
TEMPO (Hora)
8:00 -9:00
9:00 -10:00
10:00 -11:00
11:00 -12:00
12:00 -13:00
13:00 -14:00
14:00 -15:00
15:00 – 16:00
Média
Tentrada
Tsaida
∆T
(°C)
(°C)
(°C)
(KW/m )

()
25
25,5
26
27
27,5
27,8
27,5
26,9
26,65
29
30,7
32
33,8
34,5
35
34,3
33,1
32,8
4
5,2
6
6,8
7
7,2
6,8
6,2
6,15
0,47
0,51
0,53
0,56
0,56
0,52
0,48
0,42
0,51
37,2
44,6
49,5
53,1
54,7
60,6
62,0
64,6
52,8
I
2
Tabela 4.5. Dados do QUINTO dia de ensaio – Configuração I.
TEMPO (Hora)
8:00 -9:00
9:00 -10:00
10:00 -11:00
11:00 -12:00
12:00 -13:00
13:00 -14:00
14:00 -15:00
15:00 – 16:00
Média
Tentrada
Tsaida
∆T
(°C)
(°C)
(°C)
(KW/m )

()
25,5
26
26,8
26,9
27
27,2
26,7
26,5
26,6
29,7
31
33,5
34,5
35
35
33,5
31,7
33,0
4,2
5
6,7
7,6
8
7,8
6,8
5,2
6,4
0,48
0,52
0,53
0,58
0,58
0,56
0,5
0,42
0,52
38,3
42,1
55,3
57,3
60,3
60,9
59,5
54,2
53,8
I
2
O valores médios gerais obtidos com base nos dados das tabelas 4.1 a 4.5, refletem o
comportamento para os cinco dias de ensaios realizados com a configuração I.
Joel Nogueira Gonçalves
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
PPGEM UFRN
49
Tabela 4.6. Resultados médios gerais – Configuração I (sem cobertura)
DIAS
DE
ENSAIO
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
MÉDIA
∆T
t
I
2
(ºC)
(KW/m )
(%)
6,26
6,21
6,45
6,15
6,4
6,29
0,51
0,51
0,53
0,51
0,52
0,52
53,70
53,27
53,24
52,76
53,8
52,92
Os dados das tabelas mostram que o gradiente médio de temperatura obtido no coletor
sem cobertura é de 6,29°C, para a vazão experimentada, demonstrando a viabilidade de
utilização do modelo de coletor proposto para o aquecimento de piscina.
O rendimento térmico médio para os dias ensaiados com essa configuração ficou em
torno de 53%, o que representa um elevado nível de eficiência do coletor para o fim proposto,
com baixo índice de perda térmica.
A média da radiação solar global para todos os dias ensaiados esteve em torno de 520
W/m², demonstrando-se a escolha correta para o ensaio comparativo entre as configurações.
Foram escolhidos dias de baixa ou ausência de nebulosidade para a caracterização de
condições solarimétricas próximas para todos os dias de ensaio.
O gráfico a seguir representa os gradientes de temperatura para os cinco dias de ensaio.
Considerando que a radiação incidente e as condições solarímetricas são similares para estes
dias, e ainda a curva apresenta características de uma curva padrão para gradiente de
temperatura em aquecedores solares, a visível proximidade entre os resultados de cada dia,
mostra a constância do equipamento e confirma os resultados esperados.
Joel Nogueira Gonçalves
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
PPGEM UFRN
50
Temperatura °C
Gradiente de Temperatura
SEM Cobertura
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Dia 1
Dia 2
Dia 3
Dia 4
Dia 5
8:00 - 9:00 - 10:00 - 11:00 - 12:00 - 13:00 - 14:00 - 15:00 –
9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00
Figura 4.1. Gráfico gradiente de temperatura – Configuração I SEM cobertura
4.1.2. Configuração II - coletor com cobertura
Nas tabelas a seguir estão registrados os valores médios dos parâmetros medidos nos
testes realizados com o sistema de aquecimento para a Configuração II. Os sensores foram
instalados em posições similares aos da configuração I.
Tabela 4.7. Dados do PRIMEIRO dia de ensaio - Configuração II.
TEMPO (Hora)
8:00 -9:00
9:00 -10:00
10:00 -11:00
11:00 -12:00
12:00 -13:00
13:00 -14:00
14:00 -15:00
15:00 – 16:00
Média
Joel Nogueira Gonçalves

Tentrada
Tsaida
∆T
(°C)
(°C)
(°C)
(KW/m )
()
24,7
25,7
26
27,1
27,7
27,9
27,8
26,7
26,7
30,2
33,1
34,3
35,5
36,2
36
34,9
32,1
34,0
5,5
7,4
8,3
8,4
8,5
8,1
7,1
5,4
7,34
0,48
0,52
0,54
0,56
0,56
0,52
0,48
0,42
0,51
50,1
62,3
67,2
65,6
66,4
68,1
64,7
56,3
63,0
I
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
2
PPGEM UFRN
51
Tabela 4.8. Dados do SEGUNDO dia de ensaio - Configuração II.
TEMPO (Hora)
8:00 -9:00
9:00 -10:00
10:00 -11:00
11:00 -12:00
12:00 -13:00
13:00 -14:00
14:00 -15:00
15:00 – 16:00
Média
Tentrada
Tsaida
∆T
(°C)
(°C)
(°C)
(KW/m )

 ()
25,1
26,2
26,7
26,8
26,8
26,6
26,8
26,5
26,4
29,7
32,7
35,4
35,5
35,5
35,5
34,5
32,5
33,9
4,6
6,5
8,7
8,7
8,7
8,9
7,7
6
7,48
0,48
0,52
0,54
0,56
0,56
0,52
0,48
0,42
0,51
41,9
54,7
70,5
68,0
68,0
74,9
70,2
62,5
64,2
I
2
Tabela 4.9. Dados do TERCEIRO dia de ensaio – Configuração II.
TEMPO (Hora)
8:00 -9:00
9:00 -10:00
10:00 -11:00
11:00 -12:00
12:00 -13:00
13:00 -14:00
14:00 -15:00
15:00 – 16:00
Média
Joel Nogueira Gonçalves
Tentrada
Tsaida
∆T
(°C)
(°C)
(°C)
(KW/m )

()
25,3
26,3
26,7
26,9
26,8
26,5
26,7
26,5
26,5
30,5
32,7
34,8
35,5
35,8
36,1
34,5
32,5
34,1
5,2
6,4
8,1
8,6
9,0
9,6
7,8
6
7,51
0,5
0,54
0,56
0,58
0,58
0,58
0,5
0,42
0,53
45,5
51,9
63,3
64,9
67,9
72,4
68,3
62,5
62,0
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
I
2
PPGEM UFRN
52
Tabela 4.10. Dados do QUARTO dia de ensaio – Configuração II.
TEMPO (Hora)
8:00 -9:00
9:00 -10:00
10:00 -11:00
11:00 -12:00
12:00 -13:00
13:00 -14:00
14:00 -15:00
15:00 – 16:00
Média
Tentrada
Tsaida
∆T
(°C)
(°C)
(°C)
(KW/m )


25,3
26
26,7
27
27
27,1
26,8
26,5
26,5
30,1
32,9
35,8
35,3
35,5
35,7
35
32,5
34,1
4,8
6,9
9,1
8,3
8,5
8,6
8,2
6
7,5
0,48
0,52
0,54
0,56
0,56
0,52
0,48
0,42
0,51
43,8
58,1
73,7
64,8
66,4
72,4
74,7
62,5
64,3
I
2
Tabela 4.11. Dados do QUINTO dia de ensaio - Configuração II.
TEMPO
(Hora)
8:00 -9:00
9:00 -10:00
10:00 -11:00
11:00 -12:00
12:00 -13:00
13:00 -14:00
14:00 -15:00
15:00 – 16:00
Média
Joel Nogueira Gonçalves
Tentrada
Tsaida
∆T
(°C)
(°C)
(°C)
(KW/m )

()
25
25,7
26,5
27,1
27,3
27,9
27,8
26,7
26,7
30,2
33,1
34,7
35,5
36
36,3
34,9
33,1
34,2
5,2
7,4
8,2
8,4
8,7
8,4
7,1
6,4
7,5
0,5
0,52
0,54
0,56
0,56
0,56
0,5
0,42
0,52
45,5
62,3
66,4
65,6
68,0
65,6
62,1
66,7
63,1
I
2
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
PPGEM UFRN
53
Na tabela 4.12. estão os resultados médios gerais obtidos para os cinco dias de ensaios
para a configuração II.
Tabela 4.12. - Resultados médios gerais – Configuração II (com cobertura)
DIAS
DE
ENSAIO
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 4
DIA 5
MÉDIA
t
∆T
I
(ºC)
(KW/m2)
(%)
7,34
7,48
7,51
7,5
7,5
7,47
0,51
0,51
0,53
0,51
0,52
0,52
62,97
64,17
61,99
64,34
63,10
62,85
O gradiente médio de temperatura obtido no coletor configuração II, com cobertura foi
de 7,47 °C, para a vazão experimentada, o que comprova a viabilidade de utilização do
modelo de coletor estudado para o aquecimento de piscina.
O rendimento térmico médio para os dias ensaiados com essa configuração ficou em
torno de 63,3%, que representa um elevado nível de eficiência do coletor para o fim proposto,
com baixo índice de perda térmica.
Em relação à média da radiação solar global, comentários idênticos aos da configuração
I, pois os dias de ensaio foram os mesmo.
Como no caso da configuração I, observa se a constância do equipamento e confirma os
resultados esperados, como segue no gráfico.
Joel Nogueira Gonçalves
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
PPGEM UFRN
54
Gradiente de Temperatura
COM Cobertura
12
Temperatura °C
10
8
Dia 1
6
Dia 2
4
Dia 3
2
Dia 4
Dia 5
0
8:00 - 9:00 - 10:00 - 11:00 - 12:00 - 13:00 - 14:00 - 15:00 –
9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00
Figura 4.2. Gráfico Gradiente de Temperatura – Configuração II COM Cobertura
4.2 Evolução de temperatura do fluido ao longo do coletor -Resultados
Foram instalados os sensores de temperatura ao longo da espiral, como indicado na
figura3.12, o que possibilitou a obtenção dos resultados a seguir. O terceiro dia foi escolhido
como melhor dia, devido a ocorrência do maior gradiente térmico dentre os cinco dias
estudados para as duas configurações.
4.2.1 Configuração I- Coletor SEM cobertura
Tabela 4.13. Evolução do fluxo no melhor dia (Terceiro dia) – Configuração I.
Tempo
(Horas)
Entrada 33 m 66 m Final DT1 DT2 DT3
(ºC)
(ºC) (ºC) (ºC) (ºC) (ºC) (ºC)
08:00 - 09:00
09:00 - 10:00
10:00 - 11:00
11:00 - 12:00
12:00 - 13:00
13:00 - 14:00
14:00 - 15:00
15:00 - 16:00
Joel Nogueira Gonçalves
25,3
26,3
26,7
26,9
26,8
26,5
26,7
26,5
27
28,3
29,41
29,8
31,07
29,8
29,97
27,87
28,5
29,66
32,82
32,4
33,3
31,9
32,53
29,14
29,8
31,3
34,1
34,3
34,5
34,5
33,1
31,7
1,70
2,00
2,71
2,90
4,27
3,30
3,27
1,37
1,50
1,36
3,41
2,60
2,23
2,10
2,56
1,27
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
1,30
1,64
1,28
1,90
1,20
2,60
0,57
2,56
DT
Tot
(ºC)
4,5
5
7,4
7,4
7,7
8
6,4
5,2
PPGEM UFRN
55
Com relação à evolução da temperatura do fluido ao longo da espiral absorvedora do
coletor, percebe-se que não houve saturação, uma vez que houve acréscimo de temperatura do
ponto de medida posterior em relação ao anterior.
Figura 4.3. Gráfico - Temperatura ao longo da espiral – Config. I SEM cobertura
4.2.2 Configuração II- coletor COM cobertura
Tabela 4.14. Evolução do fluxo no melhor dia (Terceiro dia) - Configuração II.
Tempo
(Horas)
08:00 - 09:00
09:00 - 10:00
10:00 - 11:00
11:00 - 12:00
12:00 - 13:00
13:00 - 14:00
14:00 - 15:00
15:00 - 16:00
Joel Nogueira Gonçalves
Entrada 33 m 66 m Final DT1 DT2 DT3
(ºC)
(ºC) (ºC) (ºC) (ºC) (ºC) (ºC)
25,3
26,3
26,7
26,9
26,8
26,5
26,7
26,5
27,3
28,06
30,14
31,64
30,77
30,05
30
28,5
28,5
30,61
32,44
34,06
33,3
33,6
32,83
31,12
30,5
32,7
34,8
35,5
35,8
36,1
34,5
32,5
2,00
1,76
3,44
4,74
3,97
3,55
3,30
2,00
1,20
2,55
2,30
2,42
2,53
3,55
2,83
2,62
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
2,00
2,09
2,36
1,44
2,50
2,50
1,67
1,38
DT
Tot
(ºC)
5,2
6,4
8,1
8,6
9,0
9,6
7,8
6
PPGEM UFRN
56
Figura 4.4. Gráfico Temperatura ao longo da espiral – Config. II COM cobertura
Com relação às temperaturas de evolução do fluxo ao longo da serpentina absorvedora
do coletor o comportamento foi similar à configuração.
4.3 Resultados dos parâmetros de perda térmica do coletor estudado.
Para avaliar as perdas térmicas do coletor solar alternativo os parâmetros medidos
encontram-se nas figuras 4.1.1., 4.3.2. e 4.3. Através destes valores e de outros parâmetros
encontrados na literatura calculou-se o coeficiente global de perda térmica através de dois
métodos:
1. Método das trocas térmicas que calcula todos os coeficientes convectivos,
radiativos e condutivos inerentes aos processos de troca térmica entre placa e
ambiente;
2. Método do calor perdido que leva em conta a temperatura média da placa
absorvedora do coletor em estudo.
Pelo método do calor perdido utilizou-se o seguinte procedimento: determinou-se a
potência absorvida pelo coletor, a potência transmitida pelo coletor ao fluido de trabalho e
através desses dois parâmetros calculou-se a potência perdida pelo coletor, e em seguida o
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57
coeficiente global de perda térmica, Ressalte-se que esse valor representa a perda máxima,
uma vez que foi determinado para parâmetros medidos no período de radiação máxima e
praticamente constante.
4.3.1 Perda térmica – Configuração I
Para avaliar a perda térmica do coletor alternativo do sistema de aquecimento solar de
água foram medidos os níveis de temperatura de parâmetros inerentes a esse processo, que se
encontram mostrados em seus valores médios para a configuração I.
Figura 4.1. Parâmetros de perda térmica – configuração I.
Utilizando os valores contidos na Figura 4.11 calculou-se a perda térmica
correspondente ao coletor, através do procedimento mostrado abaixo, obtendo-se o valor
correspondente a 22,0 W/m².K.
Pinc  .  560.1,6  896,0 Watts
.
Pabs   p ..  0,9.560.1,6  806,4 Watts
4.1

Pu  m.cp .  70.8  560 Watts
4.2
Pp  Pabs  Pu  806,4  560,0  246,4 Watts
4.3
Uloss 
P
p
A.(T
T )
mp a

246,4
 22,0 W / m²K )
1,6.(36  29)
4.4
Esse valor está acima do limite superior de perda térmica para os coletores
convencionais para aquecimento de água destinada ao banho, em torno de 12 W/m².K. Porém
para a aplicação a que destina o coletor, aquecimento de piscina, esse nível de perda térmica é
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58
superior, uma vez que para essa configuração não há cobertura transparente o que maximiza a
troca térmica com o ar circundante.
No que diz respeito à temperatura da superfície externa dos tubos absorvedores de
PVC seus valores médio 43,0°C e máximo 55,5°C estiveram bem abaixo da temperatura para
início da degradação térmica, em torno de 60 C, o que demonstra que é viável a utilização de
tubos flexíveis de polietileno como elementos absorvedores em coletores solares.
4.3.2 Perda térmica – Configuração II
Para a determinação da perda térmica da configuração II foram utilizados os
parâmetros a medidos
Calculou-se a perda térmica correspondente ao coletor, através do procedimento
mostrado abaixo, obtendo-se o valor correspondente a 7,1 W/m².K.
Pinc  .  560.1,6  896,0 Watts
Pabs  v .p ..  0,85.0,9.580.1,6  709,9 Watts

Pu  m.cp .  70.9,0  630,0 Watts
Pp  Pabs  Pu  709,9  630  79,9 Watts
Uloss 
Pp
A.(Tmp Ta )

79,9
 7,1 W / m²K)
1,6.(36  29)
O valor encontrado está abaixo do limite superior de perda térmica para os coletores
convencionais, em torno de 12 W/m².K, o que demonstra a boa eficiência do coletor para essa
configuração, o que já era esperado em função do baixo nível de temperatura da superfície
absorvedora, em função da elevada vazão que a atravessa e do princípio de funcionamento em
fluxo contínuo.
No que diz respeito à temperatura da superfície externa dos tubos absorvedores de
PVC, seus valores médio e máximo, 47,5°C e 55,3°C estiveram abaixo da temperatura de
início da degradação térmica, em torno de 60°C, o que demonstra que é viável a utilização de
tubos de Polietileno como elementos absorvedores em coletores solares.
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59
4.4. Comparação entre as duas configurações estudadas
As Tabelas 4.14 e 4.15 mostram os resultados médios obtidos para cada configuração
estudada no que diz respeito aos parâmetros medidos e calculados para o diagnóstico
comparativo entre as duas configurações estudadas.
Tabela 4.15. Resultados médios gerais de ensaio de cada configuração estudada.
∆T
(ºC)
(%)
Uloss
(W/m².K)
6,29
0,52
52,92
22,0
7,47
0,52
62,85
7,1
18,75%
0%
18,76%
67,7%
I - Coletor SEM
Cobertura
II - Coletor COM
Cobertura
DIFERENÇA
t
I
(KW/m²)
CONFIGURAÇÃO
A configuração II, coletor com cobertura, foi a que apresentou um melhor
desempenho com relação a esses parâmetros, em função da geração de efeito estufa
proporcionado pela cobertura de vidro o que minimiza a troca térmica com o ar.
No que diz respeito ao gradiente de temperatura no coletor, a configuração II foi
18,75% mais eficiente, para uma mesma radiação média. A eficiência térmica da
configuração II foi cerca de 15,76% mais eficiente e a perda térmica da configuração I foi
muito maior que a da configuração II.
Apesar da melhor eficiência térmica do coletor com cobertura da configuração II, em
função de um menor nível de perda, o gradiente de temperatura, parâmetro principal para o
aquecimento de piscina desejado, foi em torno de apenas 1,18°C em média superior a
configuração I.
4.5. Análise técnico-econômica do sistema de aquecimento estudado
Nos custos apresentados dos equipamentos, destacamos que ambas as configurações
de coletores foram colocados na posição inclinada, em um suporte confeccionado utilizando-
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60
se perfilados metálicos obtidos com sucata, sem valor comercial e não foram consideradas nos
custos.
Na Tabela 4.16 estão dispostos os materiais utilizados e seus respectivos preços, para a
determinação do custo do coletor solar alternativo configuração I. O custo de fabricação do
coletor por m² (A=1,6m²) foi em torno de R$ 103,12 ou US$ 59,95. Um dólar de referencia
vale 1,72 reais.
Tabela 4.16. Materiais utilizados e custos - Configuração I
MATERIAL
Tubos PVC ½”
Flexível (PC 100m)
Base Madeirite
UNID.
QUANT.
Pç
1
39,00
39,00
22,67
Pç
1
04
08
110,00
0,50
1,50
TOTAL
110,00
4,00
12,00
165,00
63,95
2,33
6,98
95,93
Conexões PVC
Unid.
Braçadeiras
Unid.
CUSTO
UNIT. (R$)
CUSTO
TOTAL (R$)
CUSTO
TOTAL (US$)
A Tabela 4.17 apresenta os materiais e seus custos para a determinação do custo do
coletor solar alternativo configuração II. O custo de fabricação do coletor por m² ficou em
torno de R$ 333,00 ou US$ 193,60.
Tabela 4.17. Materiais utilizados e custos - Configuração II
MATERIAL
Tubos PVC ½”
Flexível (PC 100m)
Base Madeirite
UNID.
QUANT.
CUSTO
UNIT. (R$)
CUSTO
TOTAL (R$)
CUSTO
TOTAL (US$)
Pç
1
39,00
39,00
22,67
Pç
110,00
0,50
1,50
110,00
4,00
12,00
63,95
2,33
6,98
Conexões PVC
Unid.
Braçadeiras
Vidro plano
transparente
Suportes fixação
vidro
Fita Alta Adesiva
Resistência
Unid.
1
04
08
m²
1,6
80,00
128,00
74,41
Unid.
24
0,50
12,00
6,98
Pç
01
28,00
28,00
16,28
TOTAL
333,00
193,60
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Comparando os custos de fabricação entre as configurações I e II, sendo o valor de R$
165,00 para a configuração I e de R$ 333,00 para a configuração II, e avaliando os gradientes
de temperatura para as duas configurações 6,29 ºC para a configuração I e 7,47 ºC para a
configuração II, com uma diferença de apenas 1,18°C. Concluímos em análise técnicoeconômica que a opção pelo equipamento da configuração I é a indicada, apesar de pior
desempenho técnico.
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CAPÍTULO 5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES
Com base nos objetivos definidos serão apresentadas as conclusões a seguir, bem como
algumas sugestões para possíveis trabalhos futuros, de modo a torná-los mais eficientes e
competitivos com demais tipos de coletores.
5.1. CONCLUSÕES
1. O coletor solar em espiral demonstrou-se viável para o aquecimento solar de piscina,
em ambas as configurações, devendo ter uma área de captação equivalente a 60% da área da
piscina;
2. O sistema mostrou-se de fácil fabricação e montagem, apresentando baixo peso e
facilidade no manuseio do coletor, principalmente para a configuração I SEM cobertura;
3. A configuração mais eficiente termicamente foi a configuração II COM cobertura,
embora seu custo de fabricação seja mais que o dobro da configuração I;
4. A configuração I é a configuração mais viável para o fim proposto, em função de sua
melhor relação custo-benefício;
5. Não houve constatação de saturação do fluido no coletor para o comprimento de
espiral utilizado na superfície absorvedora dos coletores construídos, para as duas
configurações estudadas;
6. Não foi atingida a temperatura crítica para início do processo degradativo térmico que
é 60º, uma vez que os tubos absorvedores de polietileno alcançaram temperaturas médias e
máximas em torno de 47,5°C e 55,3°C;
7. Um sistema de aquecimento de piscina composto por coletores em espiral apresenta
custo de fabricação mais reduzido que os coletores disponíveis comercialmente no mercado,
podendo contribuir para uma massificação de aquecedores solares de piscina.
5.2. SUGESTÕES
1. Poder-se-ia estudar a ligação de dois ou mais coletores em série para o aumento do
gradiente de temperatura gerado, para uma maior eficiência no aquecimento de piscina,
considerando principalmente a saturação da água na espiral do coletor;
2. Através destes resultados apresentados, dimensionar um sistema real de aquecimento
da piscina estudada, demonstrando que tal sistema apresenta real competitividade com outros
sistemas disponíveis no mercado;
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63
3. Realizar um período mais longo de testes para verificar a sua durabilidade e
resistência às intempéries e assim confirmar sua competitividade com coletores disponíveis no
mercado;
4. Divulgar o trabalho e estimular a pesquisa na área de aquecimento de água para
piscinas, pois são raros os trabalhos acadêmicos e as publicações neste segmento;
5. Estudar materiais de menor custo e menos frágeis que o vidro para cobertura do
coletor na configuração 2, de forma viabilizar também esta configuração;
7. Estudar os aditivos aplicados no polietileno e seus efeitos na redução da degradação
térmica e por raios UV.
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64
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69
ANEXO 01 – Patente coletor aberto espiralado
Registro no Instituto Nacional de Propriedade industrial – Ministério do Desenvolvimento
Industria, Comércio Exterior.
(21)Título: COLETOR ABERTO DE ENERGIA SOLAR ESPIRALADO PARA
AQUECIMENTO DE ÁGUA PARA PISCINA
(51)Número do Pedido: (22)MU8500181-3
(22)Data do Depósito: 21/01/2005
(54)Classificação: F24J2/00, F24J2/04
(57)Termos: água de piscina devido; proporcionando um maior aquecimento; aquecimento de
água; espiralado para aquecimento; água aquecida; água; tubulação.
57)Resumo: "COLETOR ABERTO DE ENERGIA SOLAR ESPIRALADO PARA
AQUECIMENTO DE ÁGUA PARA PISCINA". O coletor aberto de energia solar espiralado
para aquecimento de água de piscina devido ao seu formato, tem um circuito maior de tubulação
por metro quadrado em exposição ao sol, proporcionando um maior aquecimento da água a um
menor custo final do produto acabado. O dito coletor é constituído de uma estrutura em formato
de estrela de seis pontas sobrepostas (1) e (11), com a tubulação de polietileno e ou polipropileno
(2) montada entre estas estruturas em espiral contínua em torno de um círculo central (3) sobre o
isolamento térmico (4) na face inferior. A tubulação é presa entre a estrutura metálica por
parafusos através dos orifícios (5) e (6). Possui ainda duas válvulas anti-vácuo (9) e (10) na
entrada da tubulação (7) e saída de água aquecida (8).
(71)Nome do Depositante: Osvaldo Elias Miziara (BR/MG).
Figura 1 Anexo I - Coletor Espiralado Patente
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70
Anexo 2 – Dimensões de cada espira do coletor
Cálculo do comprimento do circulo (perímetro da circunferência ou de uma volta)
Raio Externo Re=75cm. Raio Interno Ri=22cm.
Lcirc. 2. .R
Tabela 1.Anexo II. Dimensões das espirais do coletor.
Nro Espira
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Joel Nogueira Gonçalves
R
0,75
0,7334375
0,716875
0,7003125
0,68375
0,6671875
0,650625
0,6340625
0,6175
0,6009375
0,584375
0,5678125
0,55125
0,5346875
0,518125
0,5015625
0,485
0,4684375
0,451875
0,4353125
0,41875
0,4021875
0,385625
0,3690625
0,3525
0,3359375
0,319375
0,3028125
0,28625
0,2696875
0,253125
0,2365625
L=2. .R
L( Acumulado)
4,712388981
4,712389
4,608323724
9,320713
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1,486366024
99,18008
99,18008009
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
PPGEM UFRN